CN106025476B - 可同时提供频率和功分比可重构的耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可同时提供频率和功分比可重构的耦合器，该可重构耦合器由基本圆形贴片构成，四个端口之间的角度都为90°，可以达到耦合器直通，耦合，隔离的作用。将圆形贴片看成由四个不同的扇形构成，当扇形半径取不同值时，耦合器的工作频率和功分比将会发生改变。本发明设计在无线通信常用频段，能够实现多个频率的响应，同时提供任意的功分比，同时具有较好的耦合度与隔离度，因此可广泛利用在多标准或多制式要求的通信领域。

Description

可同时提供频率和功分比可重构的耦合器
技术领域
本发明涉及无线通信领域中使用的耦合器，特别是具有同时提供频率和功分比可重构的耦合器，可广泛应用于天线、放大器甚至于毫米波领域，对于当今多制式、多标准无线通信要求具有很高的研究价值。
背景技术
耦合器作为射频无源器件被广泛应用于阵列天线、混频器、功率放大器等诸多方面。随着无线通信领域的飞速发展和对多功能射频器件的要求，非传统结构的耦合器不断发展，同时能够提供多种功能和良好性能。为了满足更多实际通信应用方面的要求，例如雷达，卫星，宽带耦合器、双频耦合器等诸多功能的耦合器不断被研究，同时伴随着器件小型化、低成本等要求，多种功能集中于同一耦合器的特性十分满足当今通信系统的发展趋势。传统的耦合器工作在固定频段，同时在两个输出端口只能提供等功分比，但往往无线通信覆盖多个频段，同时许多应用需要不同的功分比，这就需要现在的耦合器具有提供不同的工作频段、不同功分比的特性。同时，考虑电路尺寸、设计成本等诸多方面，如果能在同一器件上同时实现频率和功分比可重构将解决多频带、多标准等通信技术问题。
为了实现耦合器频率可重构或功分比可重构等功能，目前已有多种技术可以实现对器件的可重构。其中包括利用CMOS、MEMS开关、变容二极管等方法实现点可重构。其中，变容二极管相对于其他方法而言，具有结构简单、成本低廉、实现方法简单等优势，在利用变容二极管实现器件的可重构特性时，只需在变容二极管两端加载直流偏置电压即可任意调节其电容，由于微带电路本身即可用电容与电感等集总元件等效，因此当在电路上加载二极管时，由于二极管的电容发生变化，就会导致电路总的电容值发生变化从而导致其特性的改变。另外由于每种变容二极管的电容范围都有所不同，大大增加了选择可重构范围的灵活度，同时对于产生较好的响应有更大的选择空间。
以往对可重构耦合器的研究往往只实现了频率可重构或功分比可重构的某一方面，但能同时提供频率可重构和功分比可重构的耦合器没有被实现，这对于节省器件耗材等方面具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服传统耦合器由于只能提供固定工作频率和等功分而不能满足当今无线通信发展的需求，同时针对一些可重构耦合器只能提供频率频率可重构或功分比可重构某一方面，提出一种可以同时提供频率和功分比可重构的耦合器及仿真设计方法。
本发明的目的通过以下技术措施解决：
一种工作在无线通信常用频段可同时提供频率和功分比可重构的耦合器，包括从上至下依次排布的三层结构：其中第一层结构为微带电路单元，第二层结构为基板，第三层结构为金属地层；
所述微带电路单元为有四个端口的圆形贴片耦合器，四个端口之间的扇形分别加载直流偏置单元；直流偏置单元由隔直电容、扼流电感和变容二极管组成，隔直电容加载在圆形贴片耦合器和变容二极管之间，直流电压通过导线加载在扼流电感一端，扼流电感的另一端接在隔直电容和变容二极管负极之间，变容二极管正极通过金属过孔与金属地层相连。
所用隔直电容、扼流电感封装为0203，变容二极管为Skyworks SMV2019。
优选的，所述耦合器为圆形微带贴片正交耦合器，包括四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4，四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4和十字形槽孔；按位置对称关系将所述四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4分为两组，第一组的两个扇形微带片状单元A1、A3对称且结构一致，半径均为R 1；第二组的两个扇形微带片状单元A2、A4对称且结构一致，半径均为R 2，且两组扇形微带片状单元相互衔接；所述四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交接线重合，且每一阻抗匹配线与交接线重合的两个扇形微带片状单元相连；所述十字形槽孔由四个长度为L S ，宽度为W S 的长方形槽孔组成，每个长方形的中心线都与所位于扇形贴片的对称线重合，该十字形槽孔位于圆形贴片的中央，槽孔的中心与各个扇形的圆心重合。
优选的，所述四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4的形状和大小均一致，宽为W P ，与扇形微带片状单元A1相连的边长度为L P2 ，与扇形微带片状单元A2相连的边长度为L P1 。
优选的，耦合器采用的介质材料厚度为1.57mm的RT/Duriod 5870材料，其介电常数为2.33。
优选的，所述金属地层为铺满良导体的金属地层。
上述耦合器的输入、输出端口线长度均为5mm，阻抗均为50欧姆；
一种可同时提供频率和功分比可重构的耦合器的仿真设计方法：首先，根据所需要的中心频率，介质基板的相对介电常数以及圆形贴片耦合器S参数的关系，利用格林公式可得到圆形贴片半径与工作频率的关系。确定耦合器的工作频率即可得到所需要的圆形贴片各个扇形微带片状单元的半径。在各个扇形微带片状单元上加载直流偏置网络。其中隔直电容加载在耦合器和变容二极管之间，变容二极管正极通过金属过孔与金属地层相连。通过改变变容二极管的容值，可以得到不同状态的S参数。在圆形贴片上加入十字形槽孔，通过微调槽孔尺寸，可以得到较好的S参数响应。
在本案中，所述圆形贴片耦合器能够从4.7到5.8GHz实现等功分，频率可调范围达到21%，同时在5.2GHz实现了任意的功分比从-3到-10dB。另外，耦合器具有很小的回波损耗以及很好的隔离度，S11和S41均小于-10dB。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
（1）本发明首次提出了一种可同时提供频率和功分比可重构的耦合器，可以实现多个频率的等功分和某一频率任意的耦合因子，实现了对耦合器应用灵活度的提高，非常适合当今多标准的现代无线通信系统。
（2）本发明的特点还包括：1、通过调节扇形贴片的尺寸，可以很容易使得耦合器工作在其他频率段，大大提升了其满足多种通信标准的范围；2、由于加入了十字形槽孔，使得耦合器更加容易匹配，同时可以增加其可重构范围；3、尺寸小，易于与其他器件或设备集成；4、结构简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例侧面结构示意图。
图2为本发明实施例结构框图。
图3为本发明实施例工作在4.7GHz时输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
图4为本发明实施例工作在5GHz时输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
图5为本发明实施例工作在5.5GHz时输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
图6为本发明实施例工作在5.8GHz时输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
图7为本发明实施工作在5.2GHz时输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
图8为本发明实施工作在5.2GHz时输出端口间耦合因数为6dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
图9为本发明实施例工作在5.2GHz时输出端口间耦合因数为8dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
图10为本发明实施例工作在5.2GHz时输出端口间耦合因数为10dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种工作在无线通信常用频段可同时提供频率和功分比可重构的耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构：第一层为微带电路单元101，第二层为基板102，第三层为金属地层103，其中第一层微带电路单元101上加载有分立元件和金属化过孔，直流偏置单元由隔直电容、扼流电感和变容二极管组成。根据权利要求1所述具备同时可实现频率可重构和功分比可重构的圆形贴片耦合器，其特征是，所述耦合器为圆形微带贴片正交耦合器，包括四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4、四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4和十字形槽孔；按位置对称关系将所述四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4分为两组，第一组的两个扇形微带片状单元A1、A3对称且结构一致，半径均为R 1；第二组的两个扇形微带片状单元A2、A4对称且结构一致，半径均为R 2，且两组扇形微带片状单元相互衔接；所述四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交接线重合，且每一阻抗匹配线与交接线重合的两个扇形微带片状单元相连；所述十字形槽孔由四个长度为L S ，宽度为W S 的长方形槽孔组成，每个长方形的中心线都与所位于扇形贴片的对称线重合，该十字形槽孔位于圆形贴片的中央，槽孔的中心与各个扇形的圆心重合。
如图所示，所述四条阻抗匹配B1、B2、B3、B4的形状和大小均一致，宽度为W P ，与扇形微带片状单元A1相连的边长度为LP2，与扇形微带片状单元A2相连的边长度为L P1 。
如图所示，直流偏置单元由隔直电容C block 、扼流电感RFC和变容二极管组成。隔直电容C block 为了防止直流信号进入到射频电路，加载在耦合器扇形贴片和变容二极管之间，变容二极管正极通过金属过孔102与金属地层103相连，直流电压通过导线加载在扼流电感一端，扼流电感的另一端接在隔直电容和变容二极管之间。
所用隔直电容C block 和扼流电感RFC封装均为0203，隔直电容电容值为C block =5nF，扼流电感电感值为RFC=56nH，以上参数固定不变。
所述金属地层103为铺满良导体的金属地层。
首先，根据所需要的中心频率（本例为5.2GHz），介质基板的相对介电常数以及圆形贴片耦合器S参数的关系，利用格林公式可得到圆形贴片半径与工作频率的关系。确定耦合器的工作频率即可得到所需要的圆形贴片各个扇形的半径。通过调节两对扇形的半径得到正交耦合器3dB响应。在各个扇形贴片上加载直流偏置网络。其中隔直电容加载在耦合器和变容二极管之间，变容二极管正极通过金属过孔与金属地层相连。通过改变变容二极管的容值，可以得到不同状态的S参数。在圆形贴片上加入十字形槽孔，通过微调槽孔尺寸，可以得到较好的S参数响应。
正交耦合器的参数为：R 1=11.8mm，R 2=15mm，L S =4.5mm，W S =1mm，以上参数固定不变，耦合器不同的特性仅靠变容二极管不同的电容值来实现。
参照图3-6（本发明实施例在4.7GHz、5GHz、5.5GHz和5.8GHz输出端口间耦合因数为3dB 时仿真和测量的幅度响应结果对比图），对应的变容二极管电容值分别为C v1=1.28pF，C v2=2.22pF，C v1=0.75pF，C v2=1.2pF，C v1=0.48pF，C v2=0.55pF，C v1=0.3pF，C v2=0.3pF，此时，耦合器从4.7GHz到5.8GHz之间输出端口的相位差为90o±5°，耦合因子S31与S21之间的差距不大于1dB，且S11和S41均小于-10dB。
参照图7-10（本发明实施例在5.2GHz输出端口间耦合因数分别为3dB、6dB、8dB和10dB时仿真和测量的幅度响应结果对比图），对应的电容值分别为C v1=0.48pF，C v2=0.55pF，C v1=0.43pF，C v2=0.6pF，C v1=0.38pF，C v2=0.89pF，C v1=0.36pF，C v2=1.1pF，此时，本耦合器从3dB到10dB之间输出端口的相位差为90o±5°，工作频率保持在5.2GHz不变，且S11和S41均小于-10dB。
参照图3-10所用的基板材料为RT/Duriod 5870，介电常数为2.33，基板厚度为1.57mm的真实环境下通过网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线的吻合度较高。
通过所测得的良好结果，表明本发明的方案切实可行。
本发明公开了一种可同时提供频率和功分比可重构的耦合器，该可重构耦合器由基本圆形贴片构成，四个端口之间的角度都为90°，可以达到耦合器直通，耦合，隔离的作用。将圆形贴片看成由四个不同的扇形构成，当扇形半径取不同值时，耦合器的工作频率和功分比将会发生改变。基于此原理，设计出一种可同时提供频率和功分比可重构的耦合器。实现方法通过在四个扇形贴片上加载变容二极管，在变容二极管上施加直流电压改变二极管的容值，从而等效改变扇形贴片的尺寸，最终达到改变工作频率和功分比的效果。设计中在圆形贴片上开十字形槽孔可以改变贴片的等效电感，附加的等效电感可改变耦合器特性使得电路的自由度增加，同时也可以增大耦合器的可重构范围。直流偏置部分包括隔直电容防止直流信号进入微带电路，扼流电感防止射频信号进入直流电源和变容二极管以提供可变的电容值。本发明设计在无线通信常用频段，能够实现多个频率的响应，同时提供任意的功分比，同时具有较好的耦合度与隔离度，因此可广泛利用在多标准或多制式要求的通信领域。
显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种可同时提供频率和功分比可重构的耦合器，其特征是，包括从上至下依次排布的三层结构：其中第一层结构为微带电路单元(101)，第二层结构为基板(102)，第三层结构为金属地层(103)；
所述微带电路单元(101)为有四个端口的圆形贴片耦合器，四个端口之间的扇形分别加载直流偏置单元；直流偏置单元由隔直电容、扼流电感和变容二极管组成，隔直电容加载在圆形贴片耦合器和变容二极管之间，直流电压通过导线加载在扼流电感一端，扼流电感的另一端接在隔直电容和变容二极管负极之间，变容二极管正极通过金属过孔与金属地层(103)相连；
所述圆形贴片耦合器为圆形微带贴片正交耦合器，包括四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4，四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4和十字形槽孔；按位置对称关系将所述四个互相衔接、夹角为90度的扇形微带片状单元A1、A2、A3、A4分为两组，第一组的两个扇形微带片状单元A1、A3对称且结构一致，半径均为R1；第二组的两个扇形微带片状单元A2、A4对称且结构一致，半径均为R2，且两组扇形微带片状单元相互衔接；所述四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4的中心线分别与位置相邻的两个扇形微带片状单元的交接线重合，且每一阻抗匹配线与交接线重合的两个扇形微带片状单元相连；所述十字形槽孔由四个长度为LS，宽度为WS的长方形槽孔组成，每个长方形的中心线都与所位于扇形贴片的对称线重合，该十字形槽孔位于圆形贴片的中央，槽孔的中心与各个扇形的圆心重合；
所述四条阻抗匹配线B1、B2、B3、B4的形状和大小均一致，宽为WP，与扇形微带片状单元A1相连的边长度为LP2，与扇形微带片状单元A2相连的边长度为LP1。
2.根据权利要求1所述可同时提供频率和功分比可重构的耦合器，其特征是，耦合器采用的介质材料厚度为1.57mm的RT/Duriod5870材料，其介电常数为2.33。
3.根据权利要求1所述可同时提供频率和功分比可重构的耦合器，其特征是，所述金属地层(103)为铺满良导体的金属地层。
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